沈飛軍1 張凱歌2

1.國家管網(wǎng)集團西氣東輸武漢輸氣分公司；

2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室

摘要：以忠武線木龍河懸索管道跨越線形調(diào)整為工程背景，研究大跨度懸索管道跨越結構線形調(diào)整技術。首先根據(jù)現(xiàn)場病害情況并結合結構施工和養(yǎng)護歷史分析導致病害的原因，形成線形調(diào)整的初步思路。然后對線形調(diào)整過程進行計算機仿真模擬，驗證調(diào)整措施的可實施性。最后根據(jù)理論計算結果制定跨越結構線形調(diào)整方案并予以實施。結果表明：大跨度懸索管道跨越橫向偏位主要由風纜內(nèi)力變化導致，定量張拉風纜主纜可以簡便、有效的回歸結構橫向偏位。

關鍵詞：懸索管道跨越；病害仿真分析；偏位；線形調(diào)整

忠武線木龍河懸索跨越結構主要由承重結構、傳力索系及橋面結構三部分組成。其中承重結構主要由塔架、塔架基礎、主索錨固墩、風索錨固墩、橋面限位墩、管道固定墩等組成，兩塔頂中心線間距195 m，其中西塔設計凈高為20 m，東塔設計凈高為12 m；西側主索錨固點至塔頂中心距離為70 m，東側主索錨固點至塔頂中心距離為50 m，主跨垂度14 m，詳情如圖 1、圖 2所示。木龍河跨越處兩岸岸坡陡峻，河床切割深度較大，河床呈不對稱的U字型，平均坡度50度，河床與兩岸高差達90 m左右。懸吊段管道長度175 m。輸氣管道設計壓力6.3 MPa，管道直徑711 mm，壁厚14.3 mm[1]。結構于2004年建成投入使用。

圖 1 木龍河跨越結構平立面布置圖（ mm）

圖 2 木龍河跨越主梁斷面

1  結構偏移情況

在結構定期檢測過程中發(fā)現(xiàn)主梁存在嚴重的橫向偏位，偏位數(shù)值如圖 3所示，在第13#—14#吊桿（吊索）附近最大橫向位移達到266 mm[2]。由于主梁橫向偏位使得大量管道支座脫空，檢修工人行至跨中附近時結構出現(xiàn)明顯晃動。在保證結構安全前提下，需要對其橫向偏位進行調(diào)整。

圖 3 主梁橫向位移值（ mm）

2  橫向偏位調(diào)整方案

2.1  病害分析

根據(jù)懸索跨越結構的受力特性[3-12]，影響懸索跨越結構線形的因素主要有兩個：主纜吊桿體系和風纜拉索體系。主纜或吊桿內(nèi)力偏差會使結構主要產(chǎn)生扭轉變形；而結構橫向偏位受風纜拉索內(nèi)力主控。

實測結果[2]表明：主纜內(nèi)力穩(wěn)定，上下游索力、線形基本一致；而上下游風纜和風纜拉索內(nèi)力和設計狀態(tài)有所偏差，出現(xiàn)較大的索力損失。故分析確定跨越結構橫向偏位由風纜拉索體系索力損失導致。

2.2  調(diào)整方案

根據(jù)病害分析可知，調(diào)整橫向偏位可從兩個方面考慮：一是調(diào)節(jié)風纜拉索索力；二是調(diào)整風纜主纜索力。在調(diào)索過程中需對結構安全性進行監(jiān)測，目標包括主纜、吊桿、輸氣管道、風纜、風纜拉索等。管道支座共有15處脫空，實測脫空最大間隙為21 mm，發(fā)生在21#吊桿附近。為盡量減小跨越結構糾偏對輸氣管道的影響，橫向糾偏以閉合脫空支座最大間隙為目標。

由圖 3可知，跨越主梁基本為整體偏位，若通過調(diào)節(jié)風纜拉索索力達到糾偏目標，首先需調(diào)整單側大部分風纜拉索，共計31根，工程量很大，并且調(diào)節(jié)每根拉索對監(jiān)測目標影響值很小，不容易施工控制；其次調(diào)索工程需搭建新的施工平臺，會增加結構主體受力；再者現(xiàn)場監(jiān)測索力采用頻譜法進行，最短的風纜拉索長度不足2 m，測量誤差較大；跨越結構建成使用已有16年時間，每根風纜拉索實際狀態(tài)與設計狀態(tài)已有差異，具體狀態(tài)未知，調(diào)索過程會對拉索產(chǎn)生不可估量的損傷。

通過調(diào)整風纜主纜索力進行糾偏，其原理為主纜工作長度改變使得風纜主纜空間姿態(tài)改變，帶動固定其上的風纜拉索一端產(chǎn)生位移，進而改變每根拉索受力，達到調(diào)整主梁橫向偏位的目的。此調(diào)節(jié)措施可以減少調(diào)索工作量和施工監(jiān)測工作量，但是需要建立準確的仿真計算模型。

3  理論計算分析

3.1  有限元模型

懸索結構靜力計算有三大基本理論，分別為彈性理論、撓度理論和有限位移理論，研究表明[3-10]：有限位移理論具有更精確的解。本文利用通用有限元軟件MIADS/Civil對管道懸索跨越結構進行線形迭代計算，即初步節(jié)線法迭代和最終分段懸鏈線線形迭代，從而實現(xiàn)結構有限元模型建立。模型中，主梁和索塔均采用梁單元模擬，主纜吊桿體系和風纜結構體系均采用索單元模擬。

3.2  病害識別

根據(jù)最近一次的檢測結果可知，現(xiàn)有結構最大橫向偏位266 mm，發(fā)生在第13#—14#吊桿處。橫向偏位病害識別主要通過增加單側風纜主纜無應力長度來進行，計算結果表明，單側風纜主纜無應力長度增加180 mm時，跨越結構主梁橫向產(chǎn)生265 mm位移，識別結果如圖 4所示。

圖 4 主梁橫向偏位檢測值與識別值對比

3.3  線形調(diào)整仿真計算

經(jīng)過多次迭代計算得出，當單側風纜主纜無應力長度縮短55 mm時，主梁在16#吊桿附近產(chǎn)生最大50 mm橫向位移，在支座脫空間隙最大位置產(chǎn)生21.1 mm豎向位移，如圖 5所示。分析可知，此時支座脫空間隙可閉合。

（a）主梁橫向位移

（b）主梁豎向位移

圖 5 線形調(diào)整理論計算主梁線形變化

調(diào)整風纜主纜使得主纜、吊桿以及風纜主纜、風纜拉索索力皆有一定程度增加，其中主纜安全系數(shù)由4.5降至4.4，吊桿安全系數(shù)由11.8降至11.6，風纜主纜安全系數(shù)由5.7降至5.3，風纜拉索安全系數(shù)由24降至20；纜索系統(tǒng)索力雖有小幅增加，但安全系數(shù)皆在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

4  線形調(diào)整結果

現(xiàn)場實施風纜主纜調(diào)節(jié)后，15處管道支座間隙閉合13處，剩余2處間隙約為2 mm，通過支座下墊鋼板消除。

由圖 6可知，張拉風纜主纜后，主梁橫向偏位有明顯減小，東側結構對風纜調(diào)節(jié)更為敏感，分析原因為結構東側為懸浮結構，無支座約束，結構更容易回位。

圖 6 線形調(diào)整后主梁橫向偏位情況

實測結果表明，線形調(diào)整過程中結構內(nèi)力有所增大，變化規(guī)律與理論計算吻合，其中主纜安全系數(shù)為4.1，吊桿安全系數(shù)最小為11，風纜主纜安全系數(shù)為5.1，風纜拉索安全系數(shù)為18，安全系數(shù)皆在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

5  結語

大跨度懸索管道跨越結構由于剛度小，為增加其穩(wěn)定性常設計有風纜結構體系。在建成運營過程中，由于風纜索力損失會造成跨越結構產(chǎn)生單方向的橫向偏位，由此引起管道支座脫空，結構整體剛度降低等病害。張拉單側風纜主纜可有效減小結構橫向偏位，閉合管道支座脫空間隙，增加結構整體剛度，并且最大程度降低了操作難度和施工監(jiān)測難度。

雖然目前較多大跨度懸索管道跨越結構出現(xiàn)橫向偏位問題，但是大多數(shù)管養(yǎng)人員認為是由于主纜、吊桿等主要受力構件索力偏差導致，只有調(diào)整主纜、吊桿等主要受力構件才能使結構回歸線形。長期以來，由于大跨度懸索管道跨越結構體系復雜，涵蓋了索、梁、塔（柱）等構件形式，具有很強的分線性，軟件計算精度不高，并且管道跨越結構安全風險較大，所以其橫向偏位病害一直未能及時有效解決。本文設計的調(diào)索方法通過調(diào)整非主要受力構件——風纜，使結構恢復部分橫向偏位，計算模擬精度較高，現(xiàn)場操作簡單，安全風險較低，為類似結構的相似病害提供了處置思路和方法，具有較好的應用前景。

 

參考文獻：

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作者簡介：沈飛軍，國家管網(wǎng)西氣東輸武漢輸氣分公司管道科副科長，長期從事管道安全管理工作。聯(lián)系方式：15827265165，23468340@qq.com。